Flugzeugaufbau

Der Flugzeugaufbau Man kann das heutige herkömmliche Flugzeug in vier Baugruppen unterteilen: Rumpf, Tragflächen, Leitwerk und Fahrwerk. Rumpf In der Anfangszeit des Flugwesens war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper zum Tragen der anderen Bestandteile des Flugzeuges. Der Boden des Flugzeugkörpers diente als Fahrwerk. Später führte der Wunsch nach größerer Stabilität und höherer Leistung zur Entwicklung von geschlossenen, kastenförmigen "Streben-und-Draht"-Rümpfen, die den Strömungswiderstand verringerten und auch dem Piloten und dem Passagier Schutz sowie Platz für die Nutzlast boten. Allmählich wurde diese "Gitter"-Bauweise durch den Schalenrumpf abgelöst. Die Kräfte, die auf eine solche Konstruktion wirken, werden vorrangig von der Haut und nicht so sehr von dem Flugzeugkörper im Inneren, wie das bei der Gitterkonstruktion der Fall ist, aufgenommen.

Tragflächen Flugzeuge mit mehreren Tragflächen haben den Vorteil von höherem Auftrieb und verhältnismäßig stabilerer Bauweise, aber beim Eindecker ist der Rücktrieb geringer. In den dreißiger Jahren setzte sich das Auskragungsprinzip im Tragflächenbau durch und ließ den Eindecker zur vorherrschenden Bauart werden. Ihre gesamte Stabilität erreichen Auskragtragflächen durch die Bauelemente im Inneren. Im heutigen Flugzeugbau wird die Auskragbauweise bei den meisten Flugzeugen angewendet. Nur bei kleinen, leichten Flugzeugen kommen Außenverstrebungen zum Einsatz. Eine typische Tragfläche besteht aus einem Rahmen aus Holmen und Versteifungsrippen, der von einer dünnen Blechhaut umschlossen ist.

Für einige kleine Flugzeuge oder für Segelflugzeuge wird imprägniertes Gewebe oder selten verleimtes Sperrholz oder harzgetränkte Glasfaser verwendet. Der Holm, oder Träger, reicht vom Rumpf bis zur Spitze der Tragfläche. In der Tragfläche können ein oder mehrere Holme verwendet werden, aber am gebräuchlichsten ist die Konstruktion aus zwei Holmen. Die Versteifungsrippen, die normalerweise rechtwinklig an den Holmen angebracht sind, verleihen der Tragfläche ihre äußere Form. Besteht die Haut aus Blech, leistet sie ihren eigenen Beitrag zur Stabilität der Tragfläche. In allen großen Flugzeugen wird diese "tragende Außenhaut" verwendet, obwohl ein zunehmender Einsatz von Häuten und Konstruktionen aus hochfesten, versteiften Kunststoffen zu verzeichnen ist.

Tragflächen haben unterschiedlichste Größen und Formen, abhängig von den spezifischen aerodynamischen Erwägungen. Die Tragflächen vieler Überschallflugzeuge haben eine sehr starke Pfeilform (Pfeil, der sich von der Rumpfnase des Flugzeuges weg verjüngt) und sind so dünn wie möglich mit einer klingenförmigen Tragflügelvorderkante. Eine solche Form trägt dazu bei, den Verdichtungsstoß zu verringern, wenn das Flugzeug sich der Schallgeschwindigkeit nähert. Deutlich demonstriert wird die konstruktive Bedeutung der Tragfläche bei der Entwicklung des so genannten Nurflügelflugzeuges, ein Luftfahrzeug, bei dem Rumpf und Leitwerk nahezu ganz verschwunden sind. Leitwerk Das herkömmliche Leitwerk besteht aus zwei wichtigen Ruderflächen, der waagerechten und der senkrechten Fläche, die beide über bewegliche Abschnitte zur Steuerung des Flugzeuges und über feste Teile zur Gewährleistung der Stabilität verfügen. Der vordere Teil der waagerechten Ruderfläche wird Höhenflosse genannt, und der hintere bewegliche Abschnitt ist das Höhenruder.

Manchmal ist auch die gesamte Fläche beweglich, und das Höhenruder wurde weggelassen. Der feste Teil der senkrechten Ruderfläche wird Seitenflosse genannt, und der bewegliche Teil ist das Seitenruder. Bei einigen Flugzeugen werden zwei senkrechte Ruderflächen verwendet. In diesem Falle wird ein doppeltes Seitenruder benutzt. Beim Leitwerk in V-Form sind die Aufgaben des Seiten- und des Höhenruders in einer einzigen Vorrichtung vereint. Entsprechend des Flugzeugtyps gibt es verschieden große Leitwerke.

Bei manchen Überschallflugzeugen wird das waagerechte Leitwerk durch ein Kopfleitwerk ersetzt, das in der Nähe der Rumpfnase des Flugzeuges angebracht ist. Fahrwerk Das heute übliche Fahrwerk ist einer der kompliziertesten aller aeronautischen Mechanismen. Zu seinen Bauteilen gehören das Fahrwerkfederbein, ein hydraulisches Bein, das das Rad mit der Tragfläche oder dem Rumpf verbindet, um die Erschütterung bei der Landung zu dämpfen; der Einfahrmechanismus, der das Fahrwerk einholt und ausfährt; die Räder und die Radbremsen. Es gibt eine Reihe von Fahrwerkstypen, aber am gebräuchlichsten sind zwei: das ältere Zweiradfahrwerk und das Bugradfahrwerk, das jetzt üblich ist. Das Erstere besteht aus zwei großen Rädern, die vor dem Schwerkraftzentrum des Flugzeuges angebracht sind, und einem kleinen Rad am Heck. Ein Bugradfahrwerk besteht aus zwei großen Rädern oder Radgruppen hinter dem Schwerkraftzentrum und einem dritten Rad, Bugrad genannt, das vor den zwei Haupträdern angebracht ist.

Mit dem Bugradfahrwerk ist das Landen einfacher, da der Bremsvorgang und die Manövrierfähigkeit verbessert sind. Auch ist die Gefahr, nach vorn überzukippen, geringer. Einige große Flugzeuge haben mehr als zwei Hinterradgruppen. Zu den weiteren Arten von Fahrwerken gehören ein Raupenschlepperunterbau zur Handhabung schwerer Lasten auf schlechten Landeplätzen, ein schwenkbares Fahrwerk zur Landung bei Seitenwind und eine Kombination aus Ski- und Radfahrwerk zur Landung auf Eis und Schnee. Auftrieb Der Auftrieb, der an einem Flügel oder einer ähnlichen Fläche entsteht, ist direkt proportional zu der dem Luftstrom ausgesetzten Grundfläche und proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Luftstromes. Außerdem ist er ungefähr proportional zur Neigung (oder zum Anstellwinkel) des Tragflügels zum Luftstrom bei Winkeln, die normalerweise im Bereich von plus und minus 14 Grad liegen.

Bei größeren Winkeln ändern sich die Merkmale des Luftstromes schnell, der Luftstrom "bricht ab", und der Auftrieb verringert sich enorm. Dann spricht man davon, dass der Tragflügel "überzogen" wurde. Fliegt ein Flugzeug auf einem waagerechten Kurs, gleicht der von den Flügeln und den anderen Bauteilen beigetragene Auftrieb das Gewicht des Flugzeugs aus. Wenn der Anstellwinkel bei gleich bleibender Geschwindigkeit erhöht wird, wird das Flugzeug bis zu einem gewissen Grad steigen. Wird der Anstellwinkel verringert, d. h.

, wird der Flügel nach unten geneigt, verliert das Flugzeug an Auftrieb und beginnt zu sinken. Außerdem wird ein Flugzeug aufsteigen, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird, und sinken, wenn die Geschwindigkeit verringert wird. Im Verlauf eines Fluges ändert der Pilot des Öfteren die Geschwindigkeit und den Anstellwinkel des Flugzeuges. Diese beiden Maßnahmen werden oft gegeneinander abgewogen. Möchte der Pilot z. B.

die Geschwindigkeit erhöhen, den Horizontalflug aber beibehalten, muss der Anstellwinkel verringert werden, um den zusätzlichen Auftrieb auszugleichen, der durch die Geschwindigkeitserhöhung des Flugzeuges verursacht wird. In Vorbereitung auf die Landung muss der Pilot das Flugzeug nach unten bewegen und gleichzeitig dessen Geschwindigkeit so weit wie möglich verringern. Um einen Ausgleich für den beträchtlichen Auftriebsverlust, der sich aus der Verringerung der Geschwindigkeit ergibt, zu erreichen, sorgt der Pilot für zusätzlichen Auftrieb, indem er die Tragflügelfläche, die nutzbare Wölbung und den Anstellwinkel verändert. Dazu werden Hochhebevorrichtungen verwendet, die man Spreizklappen nennt, große Flügelverbreiterungen, die sich an der Tragflächenhinterkante befinden. Die meisten Spreizklappen werden normalerweise während des Reisefluges in den Tragflügel eingeklappt. Möchte der Pilot zusätzlichen Auftrieb erreichen, klappt er die Spreizklappen nach außen und nach unten.

Manchmal befinden sich auch an der Tragflächenvorderkante Hochhebevorrichtungen. Rücktrieb Faktoren, die während des Fluges zum Auftrieb beitragen, erzeugen auch unerwünschte Kräfte, die man Rücktrieb nennt. Der Rücktrieb ist die Kraft, die dazu beiträgt, die Bewegung des Flugzeuges durch die Luft zu verzögern. Ein Teil des Rücktriebs ist die Folge des Widerstandes der Luft gegenüber Körpern, die sich in ihr bewegen, und hängt von der Form und der Ebenheit ihrer Oberfläche ab. Man kann ihn verringern, indem man das Flugzeug stromlinienförmig gestaltet. Bei einigen Bauarten gibt es auch Vorrichtungen zur Verringerung des durch Reibung entstandenen Luftwiderstandes, mit denen der Oberflächenluftstrom in so genannter "Schichten"-Form beibehalten wird.

Eine andere Form des Rücktriebs jedoch, die als induzierter Widerstand bekannt ist, ist die unmittelbare Folge des durch die Tragfläche erzeugten Auftriebs. Um den Auftrieb zu erreichen, muss Arbeit verrichtet werden, und der induzierte Widerstand ist das Maß dafür. Der Energieaufwand äußert sich in der Form von Wirbeln oder Strudeln, die sich entlang der Tragflächenhinterkante und besonders an den äußeren Enden, oder Flügelspitzen, bilden. Flugzeugkonstrukteure entwickeln Flugzeuge mit dem bestmöglichen Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb, das erreicht wird, wenn der auf die Form zurückzuführende Rücktrieb gleich dem durch den Auftrieb induzierten Widerstand ist. Durch Faktoren wie z. B.

die Geschwindigkeit und das zulässige Gewicht des Flugwerkes werden dem Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb Grenzen gesetzt. Ein Transportflugzeug mit Unterschallgeschwindigkeit hat vielleicht ein Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis von etwa 20, während das eines Hochleistungssegelflugzeuges doppelt so hoch ist. Auf der anderen Seite verringert der zusätzliche Widerstand, der auftritt, wenn ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, das erzielte Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis auf weniger als zehn. Antrieb Flugzeuge werden entweder von Propellern oder von Düsenantrieb (Strahlantrieb) angetrieben. In einem propellergetriebenen Flugzeug wird entweder ein Verbrennungsmotor mit Kolbenantrieb oder ein Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk verwendet, um den Propeller anzutreiben, der die Luft nach hinten stößt, da er über tragflügelförmige Luftschaufelprofile verfügt, die schraubenartig die Luft durchschneiden. Beim Düsenantrieb wird der Vorwärtsschub durch das Entweichen von Hochgeschwindigkeitsgasen durch eine am Bug befindliche Düse erzeugt.

Gelegentlich werden Raketentriebwerke, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren, benutzt. Ein Flugzeugtriebwerk muss einer Reihe von wichtigen Konstruktionsanforderungen genügen. Dazu gehören hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, geringes Gewicht, niedriger Treibstoffverbrauch und eine geringe Frontfläche. Wichtigster Faktor ist die Zuverlässigkeit. Die lange Lebensdauer ist vor allem ein wirtschaftlicher Gesichtspunkt, der im kommerziellen Flugwesen von besonderer Bedeutung ist. Bei den anderen drei Anforderungen ist die Bedeutung abhängig vom Flugzeugtyp, für den der Motor vorgesehen ist.

Natürlich sind geringes Gewicht und niedriger Treibstoffverbrauch im Zusammenhang zu sehen, da der Treibstoff selbst eine Einflussgröße für das Gewicht ist. Wünschenswert ist eine geringe Frontfläche, um den Rücktrieb, der durch das Triebwerk verursacht wird, zu verringern Erzeugung des Auftriebs Zur Erzeugung von Unterdruck auf der Tragflächenoberseite ist das Profil der Tragfläche gewölbt. Wenn sich das Flugzeug vorwärts bewegt, strömt Luft von vorn gegen die Tragfläche. Dabei teilt sich der Luftstrom auf. Die Unterseite der Tragfläche ist kaum gewölbt. Daher kann die Luft hier relativ ungestört vorbeiströmen.

Auf der stark gewölbten Tragflächenoberseite wird die Luft verdrängt, muss ausweichen und dadurch einen längeren Weg zurücklegen, wodurch sich die Geschwindigkeit erhöht. Nach einem Gesetz der Strömungslehre (»Bernoulli-Gleichung«) führt bei einem Gas die Zunahme der Geschwindigkeit zu einer Verringerung des Drucks. Wegen der höheren Luftgeschwindigkeit auf der Oberseite (Saugseite) stellt sich ein kleinerer Druck als auf der Unterseite (Druckseite) ein, der Flügel wird nach oben gehoben. Die Auftriebskraft FA lässt sich mithilfe des Auftriebsbeiwertes cA der eine dimensionslose Größe ist und von Form und Anstellwinkel des Tragflügels sowie der Anströmgeschwindigkeit abhängt, berechnen: FA = cA·1/2r·v2·ATF, wobei r die Luftdichte, v die Anströmgeschwindigkeit und ATF die den Auftrieb erzeugende Tragflügelfläche angibt.

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